【原】将左手型分子转换为右手型:成功将转换速度改变了1000倍！ (江原正博集团等)

2023/11/08

将左手型分子转换为右手型:成功将转换速度改变了1000倍！ (江原正博集团等)

　金泽大学纳米生命科学研究所( WPI-NanoLSI )的秋根茂久教授、asific val特任助教、分子科学研究所的江原正博教授、the ope特任助教的共同研究小组成功地加速或减速了分子结构从左手型到右手型的转换。 像人的右手和左手的关系一样有右手型和左手型区别的分子被称为手性分子(※1 )，各自表现出特征性。 特别是右手型和左手型对生物体的作用不同，所以手性分子的右手型和左手型的控制在医药品和材料的开发中很重要。 某些时候是右手型，其他时候是左手型的分子，根据情况的不同性质会相反，因此作为相应地功能发生变化的开关分子备受瞩目。 为了将这种右手型和左手型之间的变换作为开关使用，像只在必要时发生变换，不需要时减慢(停止)变换那样，可以自由地改变速度是理想的。 本研究新开发了具有能够吸收离子的“空穴”的三重螺旋型分子。 加入金属离子后，会发生螺旋结构从左手型向右手型的转换，根据加入的金属离子的大小，成功地将该转换的速度(半衰期※2 )改变了1000倍，最短为11秒，最长为3小时。 这些知识将来有望应用于可以在分子水平上进行写入、删除的信息记录素材等。 本研究成果于2023年11月3日(美国东部时间)刊登在国际科学杂志《Science Advances》上。

【研究背景】

正如人的右手和左手的关系一样，有右手型、左手型区别的分子被称为手性分子，各自表现出独特的性质。 特别是右手型和左手型对生物体的作用不同，所以手性分子的右手型和左手型的控制在医药品和材料的开发中很重要。 某些时候是右手型，其他时候是左手型的分子，根据情况的不同性质会相反，因此作为相应地功能发生变化的开关分子备受瞩目。 为了将这种右手型和左手型之间的变换作为开关使用，像只在必要时发生变换，不需要时减慢(停止)变换那样，可以自由地改变速度是理想的。 作为可以用于这种转换开关的分子，具有螺旋型折叠结构的分子是有用的。 这些化合物的螺旋手性“右旋·左旋”并不总是不变的，已知有通过改变pH值、加入离子等刺激而反转的化合物。 这种手性反转基本上是由刺激前后平衡比的逆转引起的。 例如，如果在施加离子之前平衡偏向左手侧，则在施加离子使其结合后，平衡比会偏向相反的右手侧。 迄今为止，对这种平衡比逆转前后各自的平衡状态进行了详细调查，但另一方面，从施加刺激到达到平衡之前，即变化途中的过程，迄今为止鲜有关注(图1 )。 这是因为，以往的螺旋型分子在加入离子后变化的速度，大多只由螺旋骨架的柔软性和刚性决定，与离子的种类几乎没有关系，所以很难自由调节。

图1 .螺旋型分子从左手型到右手型转换的示意图。 转换过程中的过程到目前为止还很少被调查。 另外，也没有达成响应速度的自由调节。

　本研究小组认为，作为有效改变反转速度的战略，在从左手型向右手型转换过程中，使离子与应该超过的山的高度(迁移状态※3 )有很大影响的地方结合的方法是有效的。 具体来说，作为使其成为可能的分子，设计并合成了具有三重螺旋结构的分子的篮子(图2 )。 这个分子知道，三个手臂形成三重螺旋结构，其骨骼的右手型和左手型相互交换的时间尺度为几分钟到几小时。 另外，由于碱金属离子可以进入被三个臂包围的笼型结构的内部，因此预测右手型和左手型的交替速度会受到很大的影响。 实际上，本研究小组发现，该分子吸收碱金属离子时，从左手型变为右手型，成功地将此时的时间尺度(半衰期)从最短的钾离子的11秒到最长的铯离子的约3小时，最多改变了1000倍。

图2 .可以通过金属离子调节从左手型到右手型转换的“速度”的分子结构。 筐型结构形成三重螺旋，处于右手型和左手型交替的平衡状态。 金属离子可以进入该筐型结构的内部，由此，右手型和左手型互换的“速度”会发生很大的变化。

【研究成果概要】

　首先，通过x射线晶体结构分析表明了合成的笼型金属配合物呈三螺旋型结构。 晶体中以50:50的比率含有右手型和左手型。 另一方面，溶液中存在很多左手型的平衡，其比率为右手型( p ) :左手型( m ) = 12:88。 运用圆二色性光谱及计算化学的方法决定了大量存在的是左手型( m )。 接着，调查了不吸收离子时右手型和左手型之间的转换速度。 晶体中准确地含有等量( P:M = 50:50 )的右手型和左手型，将其溶解在溶剂中，可以测量在溶液中变化为平衡比P:M = 12:88的速度。 在氯仿/二甲基亚砜(9:1)混合溶剂中，该时间刻度(半衰期)为4.99分钟。 这个分子在筐型结构的内部有可以吸收金属离子的空间。 已知金属离子会瞬间进入该空间，但由于吸收离子后平衡比为与P:M = 12:88不同的值，因此观测了该比率变化的情况。 结果发现，对于尺寸不同的碱金属(锂、钠、钾、铷、铯)的离子，最终的平衡比和变化时的速度有很大的差异。 对于大尺寸的钾离子、铷离子、铯离子，P/M的比率发生了逆转，最终右手型( p )变多。 另一方面，对于尺寸较小的锂离子、钠离子，虽然比率发生了变化，但没有逆转。 在出现比率逆转的钾离子、铷离子、铯离子中，发现在变化的时间尺度上有很大的差异。 加入钾离子时，半衰期迅速变化为10.9秒。 这个时间比例明显比没有客人时的299秒(4.99分钟)短。 另一方面，研究人员发现，加入铷离子时，该时间延长至930秒( 15.5分钟)，加入铯离子时，该时间明显延长至11100秒(约3小时) (图3 )。 也就是说，明确了加入钾离子可以加速，加入铯离子可以减速。 而且，加入最快的钾离子时和加入最慢的铯离子时的速度有1000倍的差异。

图3 .加入铯离子和钾离子时，左手型向右手型的转换概略。 加入铯离子后会非常缓慢地偏向右手型。 另一方面，加入钾离子后，会迅速偏向右手型。

详细分析了平衡常数，结果表明该笼型分子与金属离子的结合都足够强，其强度序列为[钾离子<铷离子<铯离子]。 另外，包括速度常数的测量结果在内的详细分析结果表明，可以估算出从左手型向右手型变化过程中，在中间状态(应该超越的山峰部分:过渡状态)下与金属离子的结合强度。 结果表明，在跃迁状态下，该序列发生逆转，成为[钾离子>铷离子>铯离子]的序列。 钾离子时加速，铯离子时减速的有趣现象可以通过这种强度序列的逆转来解释。 加入金属离子等客体并使其结合的方法经常用于改变平衡比和反应速度，但在大多数情况下，客体结合后反应会变慢。 这是因为，相互作用越强的客体稳定性越大(波谷越深)，所以在达到跃迁状态之前需要更大的能量(需要攀登更多应该超越的山)。 本研究中的螺旋型分子也与铯离子强烈相互作用，因此从左手型到右手型的转换变慢。 因为钾离子也结合得足够强( logKa = 7.44 )，所以同样预测从左手型到右手型的变换会变慢，但出乎意料地明显加速了。 这可以解释为，钾离子与反转途中的结构“跃迁状态”的相互作用比右手型、左手型各自的结构更强。 因此，可以解释为反转所需的能量变小(应该超过的山变低)，从左手型到右手型的变换明显加速(图4 )。 而且，这种罕见的加速现象只有在钾离子时才能观测到，铷离子、铯离子时出现减速，形成了鲜明的对比。

图4 .加入离子时左手型向右手型转换的速度变化的机制。 加入铯离子时谷变深而减速，加入钾离子时山变低而加速。

【今后的发展】

　像本研究开发的分子一样，能够根据外部因素自由改变分子转换速度的分子，在使用分子的化学信息处理(写入、保持、删除等)中是不可缺少的。 也就是说，写入或删除信息时，分子结构需要迅速变化，但在保存记录的信息时，希望不发生变化。 从这次的分子来说，在改写并记录手性信息的情况下，手性反转越快越好(反转ON的状态)，在保存手性信息的情况下，手性反转希望非常慢(反转OFF的状态)。 在这一点上，本研究合成的分子可以说是既能加速也能减速“信息写入”速度的新型化学信息的记录分子，作为不依赖电子设备的记录元件的发展值得期待。 本研究由日本学术振兴会科学研究经费资助事业(基础研究( a )，18H03913，基础研究( b )，23H01972，挑战性研究(萌芽)，20K21206，新学术领域研究“配位不对称”，16H06510，学术变革领域研究“高密度 22H05133 )，在文部科学省世界顶级研究基地计划( WPI )的支持下实施。

【刊登论文】

杂志名称: Science Advances 论文名称: acceleration and deceleration of chirality inversion speeds in a dynamic helical metallocryptand by alkali metal ion binding (与碱金属离子结合引起的动态螺旋型金属庚烷的手性反转速度的加速和减速) 作者名称: Sk Asif Ikbal，Pei Zhao，Masahiro Ehara，Shigehisa Akine ( sk acific value、the pay、江原正博、秋根茂久) 刊登日期和时间: 2023年11月3日(美国东部时间)刊登在网上 DOI:10.1126/sciadv.adj5536

URL：https:///10.1126/sciadv.adj5536

【用语解说】

※1手性分子 像右手和左手一样，由于镜像的关系而相互不能重合的分子。 正如在“左手vs .左手用手套”和“右手vs .左手用手套”的差异中所看到的那样，手性分子之间的相互作用不会相同。 ※2半衰期 在浓度减少的反应中，浓度达到一半的时间。 指数函数减少(一次反应)时，经过半衰期4~5倍的时间后，起始物减少到最初的百分之几左右，因此可以认为反应实际上已经结束。 ※3迁移状态 是指在化学反应过程中，从起始物转化为产物的过程中能量最高的状态。 相当于去邻町时町境山口道的山顶。

【关于这件事的咨询方式】

■有关研究内容的事情

金泽大学纳米生命科学研究所教授 秋根茂久 TEL:[phone] e-mail:akine @ se.Kanazawa-u.AC.jp 自然科学研究机构分子科学研究所教授 江原正博 TEL:[phone] E-mail:[e-mail]

■宣传负责人

金泽大学纳米生命科学研究所办公室 米田洋惠 西村公惠 TEL:[phone] e-mail:nano LSI-office @ ADM.Kanazawa-u.AC.jp 自然科学研究机构分子科学研究所 加强研究力度战略室宣传担当 TEL:[phone] 传真: [phone] E-mail:[e-mail]